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Die
Erfindung betrifft Wärmetauscher
und Wirbelerzeuger für
Wärmetauscher.
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Bei
Wärmetauschern,
die aus einer Vielzahl von aufeinander gestapelten Rohren oder Plattenpaaren
hergestellt sind, durch die Strömungsdurchlässe bestimmt
sind, ist es üblich,
Wirbelerzeuger zu verwenden, die in den Rohren oder zwischen den Platten
im Inneren der Plattenpaare vorgesehen sind, um die Wärmeübertragung
zu verbessern, insbesondere wenn eine Flüssigkeit wie Öl durch
die Strömungsdurchlässe durchgeleitet
wird. Diese Wirbelerzeuger sind üblicherweise
als ausgedehnte Metalleinlagen mit Wellungen oder Faltungen ausgebildet,
um in der Strömung
eine Turbulenz zu erzeugen und auf diese Weise die Wärmeübertragung
im Wärmetauscher
zu verbessern.
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Bekannte
Wirbelerzeuger verbessern zwar die Wärmeübertragung, eine Schwierigkeit
dieser Wirbelerzeuger besteht jedoch darin, dass durch sie der Strömungswiderstand
bzw. der Druckabfall im Wärmetauscher
vergrößert wird.
Der Strömungswiderstand
nimmt stärker
zu, als an Wärmeübertragung
durch den Wirbelerzeuger gewonnen wird, da nur ein Teil der durch
den Wirbelerzeuger verursachten zunehmenden Turbulenzen zur Förderung
der Wärmeübertragung
wirksam wird. Ein Gleichgewicht wird durch ineffektive Wirbel oder
Strudel nicht erreicht.
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Ein
Versuch, den erhöhten
Druckabfall zu mildern, wie er oben beschrieben worden ist, ist
in der EP-A-203458 offenbart, die Wirbelerzeuger für Wärmetauscher
beschreibt, die die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruches 1
aufweisen: Ein Problem der in diesem Patent beschriebenen Wirbelerzeuger
besteht darin, dass die nicht gewellten Flächen des Wirbelerzeugers in
Bezug zu den Reihen von Wellungen zu groß sind, so dass die Wärmeübertragungseffektivität zu gering
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gleichgewicht zwischen
der Wärmeübertragungseffektivität und dem
Strömungswiderstand
im Vergleich mit bekannten Wirbelerzeugern zu verbessern.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Wirbelerzeuger für einen Wärmetauscher vorgesehen, wobei
der Wirbelerzeuger ein ebenes Element aufweist, das eine Vielzahl
von länglichen
parallelen Reihen von Wellungen besitzt, die im ebenen Element ausgebildet
sind, wobei die Wellungen unterbrochen sind, um zwischen einigen
der benachbarten länglichen
Reihen von Wellungen längliche
neutrale Kanäle
zu bilden.
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Die
Wellungen im Wirbelerzeuger sind periodisch unterbrochen, um nicht
gewellte neutrale Kanäle
zu bilden, die zwischen Gruppen benachbarter länglicher Reihen von Wellungen
vorgesehen sind. Das reduziert überraschenderweise
den Druckabfall wesentlich, der durch den Wirbelerzeuger verursacht wird,
ohne die Wärmeübertragung
merklich zu reduzieren.
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Gemäß einem
anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der
ein Vielzahl voneinander beabstandete Rohrelemente aufweist, zwischen
welchen Strömungsdurchlässe bestimmt
sind, wobei die Rohrelemente voneinander beabstandete Einlass- und
Auslassöffnungen
bestimmen, mit einem Wirbelerzeuger, wie er oben definiert worden
ist, der in mindestens einem der Strömungsdurchlässe zwischen den entsprechenden Einlass-
und Auslassöffnungen
lokalisiert ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf
die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine räumliche Explosionsdarstellung einer
bevorzugten Ausführungsform
eines Plattenwärmetauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine vergrößerte perspektivische
Ansicht eines Abschnittes eines bei dem Wärmetauscher gemäß 1 verwendbaren Wirbelerzeugers nach
dem Stand der Technik,
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3 eine Seitenansicht eines
Abschnittes des Wirbelerzeugers gemäß 2 in Blickrichtung des Pfeiles 3 in 2,
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4 eine Draufsicht auf den
Wirbelerzeuger gemäß den 2 und 3,
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5 eine perspektivische Ansicht
eines Wirbelerzeugers gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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6 eine Seitenansicht eines
Abschnittes des Wirbelerzeugers gemäß 5 in Blickrichtung des Pfeiles 6 in 5,
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7 eine Draufsicht auf den
Wirbelerzeuger gemäß den 5 und 6,
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8 eine räumliche Darstellung einer anderen
Ausführungsform
eines Wirbelerzeugers gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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9 eine Seitenansicht eines
Abschnittes des Wirbelerzeugers gemäß 8, und
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10 eine Draufsicht auf den
Wirbelerzeuger gemäß den 8 und 9.
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1 zeigt eine bevorzugte
Ausführungsform
eines Wärmetauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung, der mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist.
Der Wärmetauscher 10 ist
von einer Vielzahl von voneinander beabstandeten Rohrelemente oder Plattenpaaren 12 gebildet,
von welchen jedes eine obere Platte 14, eine untere Platte 16 und
einen zwischen diesen angeordneten Wirbelerzeuger 18 aufweist.
Die Platten 14, 16 sind Rücken an Rücken angeordnet und besitzen
miteinander verbundene Umfangsränder 20.
Die Platten 14, 16 besitzen außerdem erhöhte zentrale Abschnitte 22,
die zwischen den Platten einen Strömungsdurchlass festlegen, in welchem
die Wirbelerzeuger 18 lokalisiert sind. Erhöhte zentrale
Abschnitte 22 bestimmen voneinander beabstandete Einlass-
und Auslassöffnungen 24, 26 für die Strömung von
Fluid, wie Öl,
durch die Plattenpaar. Wenn der Wärmetauscher zusammengebaut
ist, fluchten alle Einlassöffnungen 24 miteinander
und bilden gemeinsam ein Einlasskopfstück, und fluchten alle Auslassöffnungen 26 miteinander
und bilden ein gemeinsames Auslasskopfstück. Verlängerte Metallrippen 28 sind
zwischen den Plattenpaaren angebracht, um einem anderen Fluid, wie
Luft, eine Strömung
quer durch die Plattenpaare zu ermöglichen. Die mit den Rippen 28 in
Berührung
befindlichen Platten 14, 16 sind durch erhöhte Endbuckel 29 voneinander
beabstandet, um für
die Rippen 28 zwischen den zentralen Abschnitten 22 der
Platten Raum zu schaffen.
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Die
Platten 14, 16 und die Rippen 28 können jede
beliebige Form und Gestalt besitzen und bilden an sich nicht Teil
der vorliegenden Erfindung. Platten 14, 16 können mit
nach außen
gerichteten Warzen ausgebildet sein, die mit benachbarten Plattenpaaren
zusammenpassen, so dass in diesem Falle Rippen 28 nicht
erforderlich sind.
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Die 2, 3 und 4 zeigen
einen Wirbelerzeuger 30, der als Wirbelerzeuger 18 in 1 bei einer Lösung nach
dem Stand der Technik verwendet werden kann, und der von den nachfolgenden
Ansprüchen
nicht umfasst wird. Die 5 und 8 zeigen bevorzugte Ausführungsformen
des Wirbelerzeugers gemäß der vorliegenden
Erfindung. Jeder dieser erfindungsgemäßen Wirbelerzeuger kann als
Wirbelerzeuger 18 bei dem Wärmetauscher 10 verwendet werden,
wie er in 1 dargestellt
ist. Die in den 2, 5 und 8 dargestellten Wirbelerzeuger sind nur Illustrationen
von Bereichen oder Abschnitten des Wirbelerzeugers. Es versteht
sich, dass diese Wirbelerzeuger in allen möglichen Längen oder Breiten in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Herstellungsverfahren hergestellt werden können. Die
Wirbelerzeuger werden gewöhnlich
aus Aluminium mit einer Dicke von ca. 0,01 inch (0,25 mm) gestanzt
oder gewalzt. Es können
jedoch auch andere Materialien oder dickere oder dünnere Materialien
für die
Wirbelerzeuger verwendet werden.
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Der
Wirbelerzeuger 30 ist ein ebenes Element, das eine Vielzahl
von Wellungen 32, 34 aufweist, die im ebenen Element
ausgebildet sind. Die Wellungen 32, 34 sind in
parallelen Reihen angeordnet. Handelt es sich bei dem Wirbelerzeuger 30 um einen
Wirbelerzeuger länglicher
Gestalt, so werden die Wellungen 32, 34 in parallelen
länglichen
Reihen 36 sowie in parallelen Querreihen 38 angeordnet.
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Die
Wellungen 32, 34 sind periodisch unterbrochen,
um nicht gewellte Druckrückgewinnungszonen 40 zu
bilden, die in jeder Reihe von Wellungen 36 zwischen den
Wellungen 32, 34 oder stromabwärts von diesen lokalisiert
sind. Die Wellungen 32, 34 in jeder Reihe sind
also durch Druckgewinnungszonen 40 voneinander beabstandet
und nicht kontinuierlich an einander anschließend vorgesehen.
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Der
Wirbelerzeuger 30 besitzt eine zentrale Ebene, die Druckrückgewinnungszonen 40 aufweist, die
in 3 mit der Bezugsziffer 41 bezeichnet
sind. Wellungen 32, 34 erstrecken sich abwechselnd über die
zentrale Ebene 41 (Wellungen 32) und unter die zentrale
Ebene 41 (Wellungen 34).
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Die
Wellungen 32, 34 sind als Brücken ausgebildet und der Wirbelerzeuger 30 besitzt
eine hohe Druckabfallorientierung in Richtung der Brücken bzw. in
Längsrichtung,
sowie eine niedrige Druckabfallorientierung in der Richtung, die
sich unter die Brücken bzw.
in Querrichtung erstreckt. In der in 2 dargestellten
Ausführungsform
sind die Wellungen 32, 34 in der hohen Druckabfallrichtung
durch Druckrückgewinnungszonen 40 unterbrochen,
die zwischen den Wellungen oder stromabwärts von diesen angebracht sind.
Wie aus 4 deutlich ersichtlich
ist, sind die Druckrückgewinnungszonen 40 in
Querreihen bzw. als neutrale Kanäle 41 vorgesehen.
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Wenn
der Wirbelerzeuger 30 als Wirbelerzeuger 18 bei
dem Wärmetauscher 10 gemäß 1 verwendet wird, strömt Fluid
in Richtung des großen Druckabfalls
bzw. in paralleler Richtung zu den länglichen Reihen 36 von
den Einlassöffnungen 24 zu den
Auslassöffnungen 26.
Das Fluid fließt
um und unter oder durch die Wellungen 32, 34.
Das verursacht eine Turbulenz und reduziert die Grenzschichtbildung
und erhöht
den Wärmeübertragungskoeffizienten.
Die Druckrückgewinnungszonen 40 erlauben jedoch
eine Druckrückgewinnung
zur Reduktion des Strömungswiderstandes
oder des Druckabfalls in dem Fluid, das von den Einlassöffnungen 24 zu
den Auslassöffnungen 26 fließt.
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Bei
dem Wirbelerzeuger 30 fluchten die Wellungen 32, 34 in
Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung. Die Druckrückgewinnungszonen 40 fluchten
ebenfalls in der Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung,
um neutrale Kanäle 41 zu
bilden. Die Druckrückgewinnungszonen 40 bilden
folglich kontinuierliche neutrale Kanäle 41 in Richtung
des niedrigen Druckabfalls. Diese neutralen Kanäle 41 bilden außerdem Flächen, die dazu
verwendet werden können,
den Wirbelerzeuger aus einem Stanzwerkzeug auszustoßen, das
zur Herstellung des Wirbelerzeugers verwendet wird.
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Die
Breite der gewellten länglichen
Reihen 36 ist vorzugsweise so gering wie praktisch werkzeugmäßig und
zu Wartungszwecken möglich
ist. Bei Fahrzeuganwendungen, d. h. bei der Kühlung von Fahrzeugen, beträgt die minimale
Breite vorzugsweise ca. 0,02 inch (= 0,5 mm). Die maximale Breite
sollte die zehnfache Minimalbreite nicht übersteigen. Die maximale Breite
beträgt üblicherweise
ca. 0,2 inch (= 5 mm). Die Längenabmessung
der Druckrückgewinnungszonen 40 liegt
im Bereich um 5% der Längs- bzw.
Mittellinie zwischen benachbarten Wellungen 32, 34 bis
ca. 75% des Abstandes zwischen aufeinander folgenden zwei Wellungen 32, 34.
Ein bevorzugter Bereich beträgt
zwischen 0,02 inch (= 0,5 mm) bis ca. 0,5 inch (= 1,25 cm), oder
ca. 40 bis 50% des Mittellinienabstandes zwischen in Längsrichtung
aufeinander folgenden Wellungen 32, 34.
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Die
Höhe der
Wellungen 32, 34 über und unter der zentralen
Ebene 41, die Druckrückgewinnungszonen 40 enthält, hängt von
der Dicke des Materials ab, das für den Wirbelerzeuger 30 verwendet wird.
Diese Höhe
sollte nicht kleiner sein als die Materialdicke und liegt typischerweise
im Bereich dieses Minimums bis zum zirka Zehnfachen der Materialdicke,
wenn für
den Wirbelerzeuger 30 Aluminium verwendet wird. Ein guter Bereich
liegt zwischen 0,01 inch (= 0,25 mm) und 0,5 inch (= 1,25 cm).
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Die
Länge der
Wellungen 32, 34 in Längsrichtung beträgt normalerweise
zirka das Zweifache der Höhe
der Wellungen. Die Höhe
liegt normalerweise zirka bei dem Zweifachen bis zum zirka Zwanzigfachen
der Materialdicke. Ein guter Bereich liegt zwischen 0,02 inch (=
0,5 mm) und ca. 1,0 inch (= 2,5 cm).
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Die 5, 6 und 7 zeigen
einen Wirbelerzeuger 55, der im wesentlichen ähnlich ist
dem Wirbelerzeuger 30 gemäß 2 mit der Ausnahme, dass die Wellungen 32, 34 in
Richtung des niederen Druckabfalls unterbrochen sind, um weitere
Druckrückgewinnungszonen 56 zu
bilden, die zwischen einigen der Reihen von Wellungen 36 vorgesehen sind.
Die Druckrückgewinnungszonen 56 erstrecken sich
aktuell längs
der gesamten Länge
des Wirbelerzeugers 55, um längliche neutrale Kanäle 58 in
Richtung des hohen Druckabfalls bzw. in Längsrichtung des Wirbelerzeugers 55 zu
bilden. Unter Herstellungsgesichtspunkten ist die Breite der Kanäle 58 vorzugsweise
annähernd
gleich der Breite der Reihen von Wellungen 36. Bei dem
Wirbelerzeuger 55 fluchten die Wellungen 32, 34 in
Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung, sie können jedoch
auch gestaffelt sein. Wo Wellungen 32, 34 in Richtung
des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung fluchten, ist klar,
dass die Druckrückgewinnungszonen 40 fluchten,
um quer orientierte neutrale Kanäle 59 in
Richtung des niedrigen Druckabfalls zu bilden, und dass Druckabfallzonen 56 fluchten,
um in Richtung des hohen Druckabfalls in Längsrichtung orientierte neutrale
Kanäle 58 zu
bilden. Werden Wellungen 32, 34 gestaffelt, so
werden nur in Längsrichtung
orientierte neutrale Kanäle 58 gebildet.
Im übrigen
ist der Wirbelerzeuger 55 den Wirbelerzeugern 30, 45 und 50 ähnlich.
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Die 8, 9 und 10 zeigen
einen Wirbelerzeuger 60, bei dem die Wellungen 32, 34 nur
in Richtung des niedrigen Druckabfalls, d. h. in Querrichtung, und
nur zwischen einigen der Reihen von Wellungen 36 unterbrochen
sind. Diese Unterbrechungen ergeben Druckrückgewinnungszonen 61 in
Gestalt länglicher
neutraler Kanäle 62.
Im übrigen
ist der Wirbelerzeuger 60 den Wirbelerzeugern 30 und 55 ähnlich.
Die 8 bis 10 zeigen den Wirbelerzeuger 60 in
Längsrichtung
in der Mitte der Wellungen 32, 34 geschnitten.
Das dient Illustrations-Zwecken. In der Praxis wird der Wirbelerzeuger
normalerweise in Längsrichtung
zwischen den Wellungen geschnitten, wie es auch bei den Ausbildungen
gemäß den 1 bis 7 der Fall ist.
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Oben
wurden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, es versteht sich jedoch, dass verschiedene
Modifikationen durchgeführt
werden können.
Beispielsweise können
anstelle von Plattenpaaren 12, die Wirbelerzeuger 18 enthaltende
Strömungsdurchlässe bestimmen,
kontinuierliche flache oder längliche
Rohre verwendet werden. In diesem Falle werden die Wirbelerzeuger 18 in Längsrichtung
durch ein Ende in die Rohre eingebracht. Bei den Wirbelerzeugern 18 wurden
die Wellungen 32, 34 abgerundet mit verschiedenen
Krümmungen
dargestellt. Diese Wellungen können
jede beliebige Gestalt besitzen. Beispielsweise können sie
halbkreisförmig,
sinusförmig,
trapezförmig
oder V-förmig
sein, wenn das gewünscht
wird. Bei dem Wärmetauscher 10,
wie er in 1 dargestellt
ist, ist der Wirbelerzeuger 18 derartig orientiert, dass
die Strömung
in Richtung des hohen Druckabfalls, d. h. in Längsrichtung, erfolgt. Der Wirbelerzeuger
kann jedoch um 90 Grad gedreht werden, so dass die Strömung vom
Einlass 24 zum Auslass 26 in Richtung des niederen
Druckabfalls erfolgt, wenn das gewünscht wird. Es ist außerdem klar,
das die verschiedenen Merkmale von Wirbelerzeugern 30, 55 und 60 miteinander
vermischt und zusammengebracht werden können oder dass eine Kombination
dieser Merkmale bei ein und demselben Wirbelerzeuger verwendet werden
kann. Außerdem
kann jeder vorhandene Wärmetauscher
jeden der oben beschriebenen Wirbelerzeuger oder eine Kombination
der Wirbelerzeuger aufweisen. Weitere Modifikationen des oben beschriebenen
Aufbaus sind einem Fachmann ebenfalls möglich.